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1、1,隧道工程施工安全风险控制技术中铁隧道集团副总工程师 汪纲领,隧道工程洞室支护、结构设计和工法选择的基础理论。 隧道施工的基本工法与辅助工法。 隧道超前地质预报技术。 信息化施工与动态反馈设计。 隧道工程通过岩溶地质地段安全风险控制技术。,2,随着交通运输、水利水电、城市地铁和地下空间开发利用，隧道施工技术也取得了长足的进步，隧道工程的规模和数量都有了较大增长。目前，中国是世界上隧道最多的国家，是地质最复杂的国家，也是今后隧道发展最快的国家。,3,随着隧道应用领域的不断拓展，也带来了新的地质难题: 超浅埋隧道的结构稳定与地面限沉问题； 极深埋隧道的岩爆和高应力下隧道结构大变形问题； 隧道穿过
2、特殊地质地段（如岩溶洞穴、岩爆、瓦斯、膨胀性围岩、冻结层、第四季沉积砂土等地段）时也往往会遇到许多复杂的工程地质问题，给工程带来很大的困难。,4,就隧道工程而言，若对地质条件有足够深度的了解，对可能发生的地质灾害能够适时预报，通过动态设计与合理的施工技术措施，对隧道施工安全风险是可以进行有效控制的。,5,就地质工程而言，对于地质条件的预测及地质灾害的预报问题一直困扰着工程建设者，往往成为大型工程项目的重难点问题。 地质灾害常常导致隧道建设严重受挫。即使工程规模较小，若地质条件差，施工技术措施不当，也会变成相当困难的工程。 地质条件具有复杂性、特殊性和不确定性，由于勘察手段的局限性，使得勘察成果
3、往往不能满足施工方案对地质条件的需求。为了避免在工程施工过程中由于地质条件突变而形成地质灾害，将超前地质预报工作纳入工序进行管理十分必要。,6,就施工技术措施而言，技术方案、工序管理与工艺控制是技术管理的三大基本问题。技术方案不合理，工艺控制不到位，工序管理不正确往往直接导致重大安全风险甚至造成项目失败。 大量失败案例分析证实，现场管理者观念陈旧、理念错误固然是主要原因，但在方案实施中对关键工序、工艺某些重要环节与细节的控制失误往往是重要因素。,7,从理念到实践，从超前地质预报到方案设计，从工艺控制到工序管理，从监控量测到动态反馈设计与信息化施工等，这些都是比较成熟的隧道工程施工安全风险控制技
4、术。接下我想就以上问题与各位同行进行探讨，不当之处请批评指正。,8,第一部分隧道工程洞室支护、结构设计和工法选择的基础理论,9,第一章 围岩压力 一、围岩压力的定义与内涵 周围岩体作用于隧道和地下洞室衬砌或支护上的荷载，也称地层压力。 围岩压力是开挖隧道后围岩变形和应力重新分布的一种物理现象。人们从开挖洞室后围岩变形和坍塌，衬砌或支护产生变形和开裂等现象，逐步认识到围岩压力的存在。,10,影响围岩压力的因素: 洞室形状或大小、地质构造、支护型式和刚度、洞室埋深，以及时间因素和施工方法等。 一次应力 (初始应力)状态: 洞室开挖前，岩体处在相对静止状态，其中任何一点的岩土都受到周围地层的挤压而处
5、于应力平衡状态。 二次应力状态: 洞室开挖以后，解除了部分围岩的约束，原始的应力平衡和稳定状态被破坏，围岩中出现了应力的重分布，围岩向洞室内部空间变形，并力图达到新的平衡。,11,二、隧道开挖后围岩应力状态的三个区域 1、应力降低区 在松软围岩中，岩体的强度很小，不能承受开挖后急剧增大的洞室周边应力而产生塑性变形，沿坑道周边围岩应力松弛而形成一个应力降低了的区域，高应力向围岩深部转移。扰动了的岩体向坑道内变形，如果变形超过一定数值就会出现围岩失稳和坍塌。 在坚硬而完整的围岩中，由于岩体强度大，坑道周边未达到开裂和坍塌，故无应力降低区，这种洞室往往是自稳的。,12,2、应力升高区 围岩深部应力升
6、高的区域，但其强度尚未被破坏，相当于一个承载环。坑道上方形成承载拱，承受上覆地层的自重，并将荷载向两侧地层传递。此即围岩的成拱作用。 3、初始应力区 距离坑道较远的岩体所受开挖的影响较小，仍处于初始的一次应力状态。,13,三、围岩压力的分类 1、松动压力 松动或塌落的岩体以重力形式直接作用在支护上的压力。岩体可以由于节理裂隙或岩石强度破坏而引起松动，直至坑道的顶部和侧部产生坍落。,14,2、形变压力 定义：围岩变形受到支护约束而产生的压力。 形变压力除与围岩应力有关外，还与支护时间及其刚度有关。柔性支护可产生一定位移而使形变压力减小，宜大力推广。但初期支护必须足够强，否则须及时施做衬砌，以免围
7、岩位移过大而形成松动压力，不利于结构受力和稳定。,15,松动压力和形变压力经常同时存在。但以地质条件、支护类型和施工方法等不同而以某一种为主。 在松散地层中采用现浇混凝土衬砌而回填不密实时，通常以松动压力为主；而及时作的柔性喷锚支护则以形变压力为主。形变压力常随时间推移而逐渐加大，最终才趋于稳定。 说明：在膨胀地层中，还会产生水和化学作用引起岩土体积膨胀的膨胀压力，这也是形变压力的一种。在脆性岩层中，因坑道开挖，使围岩原先的高压力突然释放引起岩爆而产生的冲击压力，则属松动压力范畴。,16,四、围岩压力的现行理论 1、岩土柱理论 开挖坑道以后，由于支护或拱圈向坑道内部位移，引起其顶部上覆岩土柱的
8、下沉，两侧地层对柱体产生与下沉反向的摩擦力，故上覆岩层重量减去岩土柱两侧的摩擦力即为围岩压力。 铁路行业的方法：拱顶土柱的下沉，将带动两侧三棱体下滑，由三角楔体的平衡条件求出与土柱间的摩阻力，土柱重量减去此摩阻力即为土体竖直压力。该理论多用于浅埋隧道，但也可推广用于深埋隧道。当隧道埋置极浅或遇软土层时，土柱两边的摩阻力接近于零，故围岩压力直接为土柱全重。,17,2、压力拱理论 对埋置较深的隧道，顶部岩体失去稳定，产生坍塌而形成不延向地表的局部破裂区。该区内的岩体自重即洞室支护上的荷载。破裂区上部边界线有抛物线、椭圆、半圆和三角形等不同假定，如科默雷尔岩体破碎理论等。 50年代初期，曾广泛采用普
9、氏地压理论，假定岩体为松散体，其压力拱承受上覆土柱的全部均布重量，根据散粒材料不能承受拉应力，即弯矩为零的条件，得到拱形为抛物线，其矢高：hb/f (b为压力拱跨度之半，f为岩层坚固系数)。塌落拱岩体重量即为竖直地层压力。,18,3、弹塑性理论 利用弹塑性理论可求出沿洞室周边地层内产生塑性区的范围。设置衬砌后，利用地下结构与地层的位移协调条件，可求得塑性区半径和围岩压力值。,19,4、极限平衡理论 岩体内有各种各样的结构面。开挖坑道后，洞周的围岩出现与整个岩体相脱离的岩块。它的自重对衬砌产生压力。故用地质分析法时，需先查明断层、节理和软弱夹层的分布情况及其组合。当分离体由数组平行节理面组成时，
10、可用裂隙岩石的极限平衡理论计算；当节理呈随机分布时，可用块体力学理论计算。,20,5、数值解法 除简单边界条件的圆形洞室有较严格的解析解以外，对其他断面形状的洞室可采用有限元法或其他数值方法计算弹性、弹塑性或粘弹与粘（弹）塑性的围岩压力值。 如已给出垂直压力，则侧向压力可视具体情况采用主动、静止和被动抗力等理论进行计算。如底部地层较差而承载力不好，处于极限状态，产生塑流，岩土将向洞室底部隆起；或遇膨胀地层时，均需要考虑底部围岩的隆起压力。,21,五、小结 由于地层初始压力和岩土参数不易准确测定，上述各种地压理论，实际应用时会受到一定限制，因此目前还较多地采用工程类比法。 长期以来，人们都想通过
11、量测作用在隧道上的围岩压力及围岩和衬砌的变形，得出可靠的围岩压力分布和数值。如以洞径位移量测为主的收敛约束法，强调在施工期间进行量测，并反馈信息指导设计，称为现场监控法。 依靠实测来求得围岩压力值是当前的发展方向。围岩性质千变万化，支护形式多种多样，施工方法各不相同，故应综合经验、理论和实测的成果，针对不同情况，采用不同的理论和方法。,22,第二章 岩体力学理论 1、关于岩体力学 岩体力学是力学的一个分支学科，它是研究岩体在各种力场作用下变形与破坏规律的理论及其实际应用的科学，属于应用型基础学科。是力学、地质学与工程学之间的一门边缘学科。 岩体力学主要研究经过变形和破坏的岩体在地应力条件改变时
12、产生再变形和再破坏的力学规律的学科。其研究目的是运用岩体的力学规律合理地利用岩体，预测、预报岩体工程中出现或可能出现的灾害，并拟定防治措施。,23,2、岩体力学研究的基本问题 岩体结构，特别是结构面的地质规律；岩体中应力，包括地应力及工程建设引起的二次应力；岩体变形规律；岩体破坏机制及强度理论；岩体水力学理论。 3、岩体力学研究的主要工程问题 岩体上各种工程地基的变形、破坏；岩体边坡的变形、破坏；地下工程的围岩变形、破坏、开挖和支护；岩体改造方案及技术。,24,第三章 新奥法原理,新奥法属于应用岩体力学的理论，通过对隧道围岩变形的量测、监控，采用新型的支护结构，尽量利用围岩自承能力指导隧道设计
13、和施工的方法。,25,新奥法的三大要素：喷混凝土、锚杆与量测。 在开挖面附近及时施作密贴于围岩的薄层柔性喷锚支护，以便控制围岩的变形和应力释放，从而在支护和围岩的共同变形过程中，调整围岩应力重分布而达到新的平衡，以求最大限度地保持围岩的固有强度和利用其自承能力。 新奥法是一个具体应用岩体动态性质的完整力学方法，其目的在于促使围岩能够形成环状承载结构，故一般应及时修筑仰拱，使断面闭合成环。它适用于各种不同的地质条件，在软弱围岩中更为有效。,26,一、支护机理 着眼于洞室开挖后形成塑性区的二次应力重分布，而不拘泥于传统的荷载观念；它主要不是建立在对于坍落拱的“支撑概念”上，而是建立在对围岩的“加固
14、概念”上。 在合理的临界限度内，它所需要的表面支护抗力Pi是与围岩塑性区半径R、洞室周边位移ur、以及围岩的内聚力、内摩擦角等参数成反比，而支护能提供的抗力则与其刚度成正比。,27,图1：隧道围岩应力再分布和支护抗力之间的关系示意图,28,围岩特征曲线1若不允许围岩壁面位移发展，洞壁径向压应力非常大；而若允许位移发展，则径向压应力减小，当位移达到某一数值时，围岩径向压应力，也就是支护抗力，为最小(Pi)。如果接近开挖面修筑支护，则位移ur较小。 支护特性曲线2随着ur的增加，Pi也增加，并在与曲线1的交点处取得应力稳定，此时的径向压应力为P（，1）。如果修筑刚性更大的支护，如曲线3所示，径向压
15、应力增大如图中的P(，2)。 新奥法就是根据上述理由，接近开挖面适时施作密贴围岩的薄层柔性支护的。如果施作支护时间过迟，则使围岩位移过大而产生塌落荷载。如图中斜线阴影部分，也使径向压应力P(，3)增大，如曲线4所示。,29,曲线5表示，由于围岩应力重分布和衬砌之间相互作用而存在的四个显著的特征阶段。 第阶段：围岩不受支护的约束而能够向洞室内自由位移的时期。 第阶段：施作一次支护，由于支护抗力而使变形速度减小，并且这个抗力还和支护的刚度有关。 第阶段：由于施作了仰拱，支护刚度变大而使变形速度越来越小。 第阶段：当仰拱完全受力时，变形基本停止。,30,二、新奥法的基本要点 1、洞室开挖后，应使围岩
16、自身承担主要的支护作用，而衬砌只是对围岩进行加固，使成为一个整体而共同发生作用。因此，须最大限度地保持围岩的固有强度，以发挥围岩的自承能力。 方法：及时喷混凝土封闭岩壁，就能有效地防止围岩松弛，而不使其强度大幅度降低，同时也不存在因顶替支撑而使围岩变形松弛。总之，使围岩经常处于三轴应力约束状态最为理想。,31,2、预计围岩有较大变形和松弛时，应对开挖面施作保护层，而且应在恰当的时候敷设，过早或过迟均不利。 方法：支护刚度不能太大或太小，又必须是能与围岩密贴，而要做成薄层柔性，允许有一定变形，以使围岩释放应力时起卸载作用，尽量不使其有弯矩破坏的可能。与传统支护不同，其不是因受弯矩而是受压剪作用破坏的。由于混凝土的抗压和抗剪强度比抗拉和抗弯强度大得多，从而具有更高的承载能力。 一次支护的位移收敛后，可在其光滑的表面上敷设高质量的防水层，并修筑为提高安全度的二次支护。前后两次支护与围岩之间都只有径向力作用。,32,3、衬砌需要加强的区段，不是增大混凝土的厚度，而是增加钢筋网、钢支撑和锚杆，使隧道全长范围采用大致相同的开挖断面。此外，因为新奥法不在坑道内架设杆件支撑，空间宽敞，从而提高了安全
